(57)【要約】 【課題】  熱効率に優れた液体の加熱装置、反応基の生成装置及び燃料改質装置を実現する。【解決手段】  制御回路２１の制御により、ガス流制御装置１９の電磁弁が所定時間開放されると、液体１１中で気体放出管１３の上端部の出口１３Ａに、直径数ミリ程度の混合ガスの気泡２２が形成され、当該混合ガスの気泡２２が気体放出管１３の上端部の出口１３Ａに留まる。次いで、制御回路２１の制御により、火花点火装置２０から数万Ｖの電圧が電極１４に印加されると電極１４，１５間に火花放電２３が生じて、気泡２２内の混合ガスに着火して、気泡２２中のガスは燃焼により高温のガスとなり、気泡２２は気体放出管１３の上端部の出口１３Ａを離れ、液体１１中を上昇する。この気泡は微小であるため体積／面積比が小さく、液体１１を上昇中に効率よく液体１１に熱を伝え、液体１１を加熱する。【選択図】  図１
2005147464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成し、
当該気泡を前記液体中で着火して燃焼させ、
当該燃焼により熱を生成し、前記液体を加熱することを特徴とする液体の加熱方法。
【請求項２】
液体中に、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成し、
当該気泡を前記液体中で着火して燃焼させ、
当該燃焼により反応基を生成することを特徴とする反応基の生成方法。
【請求項３】
液体を貯溜する貯溜手段と、
当該貯溜手段に貯溜された液体中に、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成する気泡形成手段と、
当該気泡形成手段により形成された気泡を前記液体中で着火する着火手段と
を備え、
当該気泡の前記液体中での燃焼により前記液体を加熱することを特徴とする液体の加熱装置。
【請求項４】
前記気泡の前記液体中での燃焼により前記液体の蒸気を発生させることを特徴とする請求項３に記載の液体の加熱装置。
【請求項５】
前記着火手段は、先端を除き電気絶縁材で被覆された一対の電極から構成され、
当該一対の電極間に火花放電を行うことにより、前記液体中の気泡中の混合ガスに着火することを特徴とする請求項３又は４に記載の液体の加熱装置。
【請求項６】
前記着火手段は、電熱線により構成され、当該電熱線により前記液体中の気泡中の混合ガスを着火することを特徴とする請求項３又は４に記載の液体の加熱装置。
【請求項７】
液体を貯溜する貯溜手段と、
当該貯溜手段に貯溜された液体中に、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成する気泡形成手段と、
当該気泡形成手段により形成された気泡を前記液体中で着火する着火手段と
を備え、
当該気泡の前記液体中での燃焼により反応基を生成することを特徴とする反応基の生成装置。
【請求項８】
炭化水素の液体燃料中に、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成し、
当該気泡を前記液体燃料中で着火して燃焼させ、低級炭化水素及び／又は水素ガスを生成させることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項９】
炭化水素の液体燃料中に、少なくとも酸素を含むガスにより気泡を形成し、
当該気泡内に前記液体燃料の揮発成分が当該気泡と前記液体燃料との界面から進入して酸素と混合され、当該液体燃料の揮発成分が混合された気泡を前記液体燃料中で着火して燃焼させ、低級炭化水素及び／又は水素ガスを生成させることを特徴とする燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体の加熱方法、反応基の生成方法、液体の加熱装置、反応基の生成装置、及び燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、液体の化学反応を行ったり液体を加熱する装置が知られている（例ば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。これらの従来の装置では、反応を生じさせるため、または促進するために、液体を蓄えた容器の外部から加熱を行っていた。また、従来広く知られているガス湯沸かし器等の液体加熱装置では、高温の燃焼ガスの熱を固体の伝熱面を通して液体に伝え、液体を加熱している。高い熱効率を得るためには、広い伝熱面が必要であるため、これらの装置のうち、薄い金属板を間隔をあけて幾重にも組み合わせるなどして広い伝熱面を作り出し、この伝熱面を通して液体を加熱する装置もある。
【特許文献１】特開平１１−１２８７３１号公報
【特許文献２】特開２０００−１２１２６２号公報
【特許文献３】特開２００３−４５４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１乃至３に記載の装置では、反応を生じさせるため、または促進するために反応容器を外部から加熱する必要があり熱効率が低いという問題点があった。またこのような装置の中には高価な貴金属触媒などを利用する必要がある場合もあるという問題点があった。さらに、燃焼ガスの熱エネルギーで液体を加熱する従来の液体加熱装置では、高い熱効率を実現するためには広い伝熱面を必要とするという欠点があった。広い伝熱面を得るために、薄い金属板を幾重にも間隔をあけて配置するなどの工夫がなされたが、装置が複雑になりかつ小型化を阻むという問題点があった。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、熱効率が良く、装置を小型化できる液体の加熱方法、反応基の生成方法、液体の加熱装置、反応基の生成装置、及び燃料改質装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明の液体の加熱方法では、液体中に、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成し、当該気泡を前記液体中で着火して燃焼させ、当該燃焼により熱を生成し、前記液体を加熱することを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明の反応基の生成方法では、液体中に、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成し、当該気泡を前記液体中で着火して燃焼させ、当該燃焼により反応基を生成することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項３に記載の発明の液体の加熱装置では、液体を貯溜する貯溜手段と、当該貯溜手段に貯溜された液体中に、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成する気泡形成手段と、当該気泡形成手段により形成された気泡を前記液体中で着火する着火手段とを備え、当該気泡の前記液体中での燃焼により前記液体を加熱することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項４に記載の発明の液体の加熱装置では、前記気泡の前記液体中での燃焼により前記液体の蒸気を発生させることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項５に記載の発明の液体の加熱装置では、請求項３又は４に記載の発明の構成に加えて、前記着火手段は、先端を除き電気絶縁材で被覆された一対の電極から構成され、当該一対の電極間に火花放電を行うことにより、前記液体中の気泡中の混合ガスに着火することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項６に記載の発明の加熱装置は、請求項３又は４に記載の発明の構成に加えて、前記着火手段は、電熱線により構成され、当該電熱線により前記液体中の気泡中の混合ガスを着火することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項７に記載の発明の反応基の生成装置は、液体を貯溜する貯溜手段と、当該貯溜手段に貯溜された液体中に、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成する気泡形成手段と、当該気泡形成手段により形成された気泡を前記液体中で着火する着火手段とを備え、当該気泡の前記液体中での燃焼により反応基を生成することを特徴とする
【００１２】
また、請求項８に記載の発明の燃料改質装置は、炭化水素の液体燃料中に、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成し、当該気泡を前記液体燃料中で着火して燃焼させ、低級炭化水素及び／又は水素ガスを生成させることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項９に記載の発明の燃料改質装置では、炭化水素の液体燃料中に、少なくとも酸素を含むガスにより気泡を形成し、当該気泡内に前記液体燃料の揮発成分が当該気泡と前記液体燃料との界面から進入して酸素と混合され、当該液体燃料の揮発成分が混合された気泡を前記液体燃料中で着火して燃焼させ、低級炭化水素及び／又は水素ガスを生成させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明の液体の加熱方法では、液体中に、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成し、当該気泡を液体中で着火して燃焼させると、気泡中の可燃性ガスは燃焼により高温のガスとなり、液体中を上昇する。この気泡は微小であるため体積／面積比が小さく、液体中を上昇中に効率よく液体に熱を伝え、液体を加熱することができる。従って、液体を蓄えた容器の外部から加熱する必要がなく、液体と熱源との間に、容器や熱交換器等が介在せず、液体の加熱時の熱効率を高めることができる。また、燃焼ガスが直接液体を加熱するため、固体伝熱面が不要となり、装置を単純化し小型化することができる。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明の反応基の生成方法では、液体中に、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成し、当該気泡を前記液体中で着火して燃焼させると、気泡中の可燃性ガスは燃焼により高温のガスとなり、液体中を上昇する。この気泡は微小であるため体積／面積比が小さく、液体中を上昇中に効率よく液体に熱を伝え、効率よく反応を行って反応基を生成することができる。また、燃焼ガスが直接液体を加熱するため、固体伝熱面が不要となり、装置を単純化し小型化することができる。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明の液体の加熱装置では、当該貯溜手段に貯溜された液体中に、気泡形成手段により、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成する。次いで、着火手段により当該気泡を液体中で着火して燃焼させると、気泡中の可燃性ガスは燃焼により高温のガスとなり、液体中を上昇する。この気泡は微小であるため体積／面積比が小さく、液体中を上昇中に効率よく液体に熱を伝え、液体を加熱することができる。従って、液体を蓄えた容器の外部から加熱する必要がなく、液体と熱源との間に、容器や熱交換器等が介在せず、液体の加熱装置の液体の加熱時の熱効率を高めることができる。また、燃焼ガスが直接液体を加熱するため、固体伝熱面が不要となり、液体の加熱装置を単純化し小型化することができる。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明の液体の加熱装置では、液体中での気泡の燃焼により液体を加熱、気化して、その蒸気を発生させることができるので、熱効率良く蒸気を発生させることができる。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明の液体の加熱装置では、請求項３又は４に記載の発明の効果に加えて、先端を除き電気絶縁材で被覆された一対の電極から構成された着火手段により火花放電を行うことにより、液体中の気泡中の混合ガスに着火することができるので、小さな気泡についても着火することが可能となる。
【００１９】
また、請求項６に記載の発明の加熱装置では、請求項３又は４に記載の発明の効果に加えて、電熱線により構成された着火手段により、液体中の気泡中の混合ガスを着火することができるので、簡単な構造の着火手段で小さな気泡についても着火することが可能となる。
【００２０】
また、請求項７に記載の発明の反応基の生成装置では、貯溜手段に貯溜された液体中に、気泡形成手段により、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成し、当該形成された気泡を着火手段により液体中で着火して、当該気泡の前記液体中での燃焼により反応基を生成することができる。
【００２１】
また、請求項８に記載の発明の燃料改質装置では、炭化水素の液体燃料中に、少なくとも酸素と可燃ガスとを含む混合ガスにより気泡を形成し、当該気泡を前記液体燃料中で着火して燃焼させ、低級炭化水素及び／又は水素ガスを生成させることができるので、燃料の改質を効率よく行うことができる。
【００２２】
また、請求項９に記載の発明の燃料改質装置では、炭化水素の液体燃料中に、少なくとも酸素を含むガスにより気泡を形成し、当該気泡内に前記液体燃料の揮発成分が当該気泡と前記液体燃料との界面から進入して酸素と混合され、当該液体燃料の揮発成分が混合された気泡を前記液体燃料中で着火して燃焼させ、低級炭化水素及び／又は水素ガスを生成させることができるので、少なくとも酸素を含むガスを供給して気泡を生成するだけで、燃料の改質を効率よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態である液体の加熱装置１０の構造を図１を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である加熱装置１０の構造を示す部分断面図である。この加熱装置１０は、液体の加熱装置、反応基（ラジカル）の生成装置及び燃料改質装置としての機能を有するものである。
【００２４】
図１に示すように、加熱装置１０では、任意の液体１１（一例として、水、炭化水素の液体燃料等）を貯溜可能な水槽１２の底面に円筒状の円管からなる気体放出管１３を、その長手方向を重力方向に平行にして貫通固定している。気体放出管１３の下部には、図示外の電磁バルブから構成されたガス流制御装置１９が設けられ、当該ガス流制御装置１９には、ガス供給管１８が接続されている。このガス供給管からは、酸素と可燃性ガスの混合ガス（一例として、酸素と水素の混合ガス）が供給されるようになっている。この混合ガスの混合比は、予め使用する可燃性ガスの燃焼可能範囲の当量比に適宜設定する。ここで、液体１１が炭化水素の液体燃料等の可燃性のものであれば、混合ガスは、少なくとも酸素を含む気体であれば、可燃性のガスを含んでいても、また、可燃性のガスを含まなくても良い。さらに、混合ガスでなく酸素のみの単成分のガスでも良い。即ち、炭化水素の液体燃料中に、少なくとも酸素を含むガスにより気泡２２を形成し、当該気泡２２内に液体燃料の揮発成分が気泡２２と液体燃料との界面から進入して酸素と混合され、当該液体燃料の揮発成分が混合された気泡２２を液体燃料中で着火して燃焼するようにしても良い。尚、気体放出管１３の一例としては、外径１mm、内径０．４２mm〜０．７２mmの金属管が使用される。また、気体放出管１３の水槽１２の貫通部には、液体の漏れ防止のシール剤（図示外）が設けられている。
【００２５】
また、水槽１２の側面には、気体放出管１３の出口１３Ａ付近に水平に一定の間隔を空けた一対の電極１４，１５が水平に（水槽１２の側面と直交するように）貫通固定されている。尚、電極１４，１５の水槽１２の貫通部には、液体の漏れ防止のシール剤（図示外）が設けられている。また、電極１４，１５の各先端部の隙間は、火花放電２３が可能な間隔（一例として、０．２mm〜１．０mm）と成っている。さらに、この電極１４，１５は、各々、先端部を除き電気絶縁材で被覆され、電極１４の後端部には導線１６が接続され、電極１５の後端部には導線１７が接続されている。気体放出管１３の内部及び先端、電極１４，１５の先端付近には撥水加工を施すと気泡が安定して良い。また、導線１６，１７は、コンデンサ、トランス及びトランジスタ回路から構成され、数万Ｖ（一例として３万Ｖ）を発生する火花点火装置２０に各々接続されている。尚、火花点火装置２０内で導線１７は接地され、導線１６には数万Ｖの高圧電圧が印加されるようになっている。また、その反対に、導線１６は接地され、導線１７に数万Ｖの高圧電圧が印加されるようにしても良い。さらに、ガス流制御装置１９及び火花点火装置２０は、図示外のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えた制御回路２１に接続され、この制御回路２１によりガス流制御装置１９の電磁弁の開放タイミングと開放時間及び電極１４，１５間の火花放電のタイミングが制御されるようになっている。
【００２６】
上記の加熱装置１０では、混合ガスはガス供給管１８を通りガス流制御装置１９に送られ、ガス流制御装置１９により一定量が断続的に気体放出管１３に送られるようになっている。また、気体放出管１３を通った混合ガスが水槽１２の中にある気体放出管１３の上端部の出口１３Ａ付近に吐出され気泡２２が形成された際に、電極１４，１５の先端は気泡２２の内部に位置するように配置されている。
【００２７】
次に、上記の構成の加熱装置１０の動作について説明する。まず、あるタイミングで制御回路２１の制御により、ガス流制御装置１９の電磁弁が所定時間開放されると、液体１１中で気体放出管１３の上端部の出口１３Ａに、直径数ｍｍ程度の混合ガスの気泡２２が形成される。この電磁弁の開放から閉止までの時間間隔は、ガス流制御装置１９の電磁弁の前後の圧力差及び使用する気体放出管１３の内径に応じて、所定の流量の混合ガスが放出され、電極１４，１５の先端が気泡中に入る所定の大きさの気泡ができるように予め設定しておく。電磁弁を閉止した後、混合ガスの気泡２２は表面張力と浮力のつり合いにより気体放出管１３の上端部の出口１３Ａに留まる。次いで、制御回路２１の制御により、火花点火装置２０から数万Ｖの電圧が電極１４に印加されると（電極１５は接地の場合）、電極１４，１５間に火花放電２３が生じる。
【００２８】
電極１４，１５間に火花放電２３が行われると、気泡２２内の混合ガスに着火して、気泡２２中のガスは燃焼により高温のガスとなり、気泡２２は気体放出管１３の上端部の出口１３Ａを離れ、液体１１中を上昇する。この気泡は微小であるため体積／面積比が小さく、液体１１を上昇中に効率よく液体１１に熱を伝え、液体１１を加熱する。もしこの液体１１が高温になると化学反応を起こす物質（一例として、炭化水素等）であれば、この加熱により反応を起こし、また、反応中の物質であれば、加熱により反応を促進することが可能である。さらに、混合ガスが燃焼する際の中間性生物である反応基（ラジカル）によって、液体１１と気泡２２中のガスとの反応生じさせることや、液体１１内の物質同士の反応を促進することが可能である。尚、混合ガスによる気泡２２の生成と電極１４，１５間の火花放電を連続して行えば、液体１１を連続して加熱することができる。
【００２９】
また、反応基の生成の場合には、例えば、水素の燃焼で言えば、燃焼中にＨ，ＯＨ，Ｏなどの反応基ができる。例えば、以下のような反応がある。
Ｈ２  ＋  Ｍ  →  Ｈ  ＋  Ｈ  ＋  Ｍ  （連鎖開始反応）
Ｈ  ＋  Ｏ２  →  Ｏ  ＋  ＯＨ    （連鎖分岐反応）
ここで、Ｍは第三体であり、安定な化学種がその役割をすると考えてよい。また、これらの反応基は反応性が高く、様々な反応を促進することができる。
【００３０】
また、上記の構成の加熱装置１０では、水槽１２の液体１１として、炭化水素の液体燃料を用いて、当該炭化水素の液体燃料中に、酸素ガス、または酸素及び可燃ガスを含むガスにより微小気泡２２を形成させ、その微小気泡２２中で着火し火炎を形成させて、低級炭化水素や水素ガスを生成することもできる。尚、液体１１が炭化水素の液体燃料等の可燃性のものであれば、混合ガスは、少なくとも酸素を含む気体であれば、可燃性のガスを含む必要がない、また、酸素のみの単成分のガスでも良い。即ち、炭化水素の液体燃料中に、少なくとも酸素を含むガスにより気泡２２を形成し、当該気泡２２内に液体燃料の揮発成分が気泡２２と液体燃料の界面から進入して酸素と混合され、当該液体燃料の揮発成分が混合された気泡２２を液体燃料中で着火して燃焼するようにしても良い。このようにすることにより、低級炭化水素及び／又は水素ガスを生成させることができるので、少なくとも酸素を含むガスを供給して気泡を生成するだけで、燃料の改質を効率よく行うことができる。
尚、燃料の改質の反応式の一例は次のようになる。
ａＣｘＨｙＯｚ  ＋  ｂＯ２  →  ｃＨ２  ＋  ｄＣｉＨｊＯｋ  ＋  ｅＣｌＨ（（ａｙ−２ｃ−ｄｊ）／ｅ）＋  ｆＣ（（ａｘ−ｄｉ−ｅｌ）／ｆ）Ｏ（（ａｚ＋２ｂ−ｄｋ）／ｆ）
【００３１】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に図２を参照して説明する。図２は、本発明の第２の実施の形態である加熱装置３０の構造を示す部分断面図である。この加熱装置３０は、上記第１の実施の形態の加熱装置１０とは、構造は大部分同じであるが、異なる点は、電極３４，３５の構造であるので、加熱装置１０と同じ点の説明は省略し、異なる点のみを以下に説明する。この加熱装置３０では、電極３５は気体放出管１３の内部の中心軸を通るように、支持部材３６，３６で気体放出管１３の内部に支持されている。電極３５の先端部は、気体放出管１３の上端部の気体の出口１３Ａから少し液体１１中に突出している。また、電極３４は、電極３５とその先端部を対向させて重力方向に支持部材３７，３７により水槽１２に保持されている。この電極３４，３５は、各々、先端部を除き電気絶縁材で被覆され、電極３４の後端部には導線１６が接続され、電極３５の後端部には導線１７が接続されている。
【００３２】
この第２の実施の形態の加熱装置３０は、電極３４，３５の配置が異なるのみで、気泡の作り方及び火花放電による気泡２２への点火の仕方は第１の実施の形態と同じである。従って、この加熱装置３０は、液体の加熱、反応を生じさせる点、反応を促進する点については第１の実施の形態と同じである。
【００３３】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態に図３を参照して説明する。図３は、本発明の第３の実施の形態である加熱装置５０の構造を示す部分断面図である。この加熱装置５０は、上記第１の実施の形態の加熱装置１０及び上記第２の実施の形態の加熱装置３０とは、構造は大部分同じであるが、異なる点は、一対の電極に換えて、気体放出管１３の上端部の出口１３Ａ付近にニクロム線等から構成された電熱線５１を設け、当該電熱線５１に導線５２，５３を接続して、当該導線５２，５３を電熱線に電気を流す電源回路５５に接続した点である。この加熱装置５０では、火花放電による混合ガスの気泡２２への点火換えて、電熱線５１により混合ガスの気泡２２へ点火するようにしている。電熱線５１には電気を常に通電しておき、混合ガスの気泡２２が気体放出管１３の上端部の出口１３Ａに留まっている時間に、気泡２２中の電熱線５１は、熱伝達の低下により温度上昇し赤熱する。赤熱した電熱線５１は気泡２２中の混合ガスを点火する。尚、第３の実施の形態の加熱装置５０では、点火の仕方が異なるのみで、気泡２２の作り方は加熱装置１０，３０と同じである。従って、この加熱装置５０は、液体の加熱、反応を生じさせる、反応を促進する点については第１及び第２の実施の形態と同じである。
【００３４】
（実施例）
本発明者は、本発明の検証を行うために、実施例として以下の実験を行ったので、図４乃至図６を参照して説明する。
【００３５】
１．実験装置及び方法
図４に実験装置としての加熱装置１０の斜視図を示す。アクリル板ではさまれた内寸６０ｍｍ×４０ｍｍ×１０８ｍｍの水槽１２の中に、下方から混合気を噴出する気体放出管（内径０．４２ｍｍまたは０．７２ｍｍ）が取り付けられ、その左右からアクリル板にガイドされた一対の電極１４，１５が取り付けられている。二つの電極１４，１５の間隔及び高さは調整できるようになっている。電極はコンデンサーを用いた火花点火装置（図示外）につながっている。水槽１２には水が入っており、水深は６０ｍｍ〜７０ｍｍになる。２本のシリンジ（図示外）に水素と酸素を別々に計りとり、２本のシリンジを用いて両ガスをよく混合させる。混合気の入ったシリンジを気体放出管につなぎ、シリンジを押し出すことにより気体放出管１３の出口に気泡を形成させる。その後、気泡に電極を差し込む。気泡の直径は、シリンジから押し出すガス量を変化させることにより調節することができる。マクロレンズ（１０５ｍｍ  Ｆ２．８Ｄ）を装着したＣＣＤカメラにより気泡を撮影する。このＣＣＤカメラにより撮影されたデジタル画像データはＩＥＥＥ１３９４経由でＰＣ（図示外）に送られ、画像解析により気泡の長径及び短径の測定を行うことができるようにした。
【００３６】
２．実験結果及び考察
（１）着火の判断
最初に、空気のみの気泡について実験を行った。空気のみの気泡を気体放出管１３の出口に形成させ、電極を差し込み電気火花を飛ばす。本実験で用いた２種類の気体放出管１３で、さまざまな大きさの気泡について実験を行ったが、いずれの気体放出管１３、いずれの大きさの気泡であっても、電気火花を飛ばした際に気泡が気体放出管１３の出口より離れることはなかった。
【００３７】
次に、水素・空気混合気の気泡について実験を行った。水素・空気混合気の気泡を気体放出管１３の出口に形成させ、電極を差し込み電気火花を飛ばす。図５に着火の際の気泡をスローシャッターでとらえた写真を示す。気泡の大きさは短径２．０ｍｍ、長径２．２ｍｍ、混合気の当量比は４．０である。気泡の中の電極間に電気火花が飛んでいる様子が写っている。火花が飛んだ直後、気泡は膨張し気体放出管１３の出口を離れ上昇していった。上昇していく気泡の影が、スローシャッターにより写っている。空気の気泡では、電気火花を飛ばしても気泡が気体放出管１３の出口を離れることはなかったことから、このように気泡が気体放出管１３の出口を離脱する現象は、火炎の着火により気泡の急激な膨張が生じていることを示している。逆に、着火せずに気泡の急激な膨張が起こらなければ、空気の気泡の場合と同様に、気泡が気体放出管１３の出口より離脱することはない。従って、気泡が気体放出管１３の出口より離脱するかどうかで、急激な膨張すなわち着火が起きたかどうかを、合理的に判断することができる。
【００３８】
（２）着火可能な最小直径
水素・空気混合気で、水中に直径０．９ｍｍから３．０ｍｍの微小気泡を気体放出管１３の出口に形成し、火花点火による着火実験を行った。水素の可燃範囲［３］、当量比で０．１０〜７．１４のうち、今回は当量比０．３，  ０．４，  ０．５，  ２．０，  ４．０について測定を行った。上述の方法により着火したか否かを判断した結果を図６のグラフに示す。横軸は当量比、縦軸は平均直径を示す。ここで、平均直径とは気泡の短直径と長直径の平均値である。白丸印は着火したことを示し、黒丸印は着火しなかったことを示す。グラフにおいて白丸印と黒丸印の区別がつきやすいように、両印を左右に若干ずらして表示している。各データ点は１回の着火実験と対応し、一つの当量比につき４０〜６０回の実験を行っている。
【００３９】
図６のグラフに示されているように、当量比２．０については、平均直径１．１ｍｍ付近で着火と不着火の両方が観測されている。また、当量比４．０については、およそ２．１〜２．４ｍｍの範囲で着火と不着火の両方が観測されている。この着火、不着火の境界となる範囲は、当量比が２．０から４．０に増加するに従って増加傾向にあることが図６のグラフに示されている。
【００４０】
以上より、着火に最低限必要とされる最小の混合気の気泡の直径は、これら当量比が０．３から０．５に増加するに従って減少傾向にあり、当量比が２．０から４．０に増加するに従って増加傾向にあることが判明した。この傾向は、消炎距離の傾向と一致している。
【００４１】
３．実験のまとめ
当量比０．３，  ０．４，  ０．５，  ２．０，  ４．０の水素・空気混合気で、水中に直径０．９ｍｍから３．０ｍｍの微小気泡中を形成させ、この気泡内で火花点火による着火実験を行った。その結果、着火が可能な気泡の最小直径は、当量比が０．３から０．５に変化するに従って減少し、２．０から４．０に変化するに従って増加する傾向にあった。この傾向は消炎距離の傾向と一致している。
【００４２】
以上説明したように、本発明の第１乃至第３の実施の形態によれば、点火により酸素と可燃性ガスとの混合気の気泡２２が着火されると、気泡２２中のガスは燃焼により高温のガスとなり、気体放出管１３の出口を離れ、液体中を上昇する。この気泡は微小であるため体積／面積比が小さく、液体中を上昇中に効率よく液体に熱を伝え、熱効率を向上して液体を加熱することができる。また、燃焼ガスが直接液体を加熱するため、固体伝熱面が不要となり、装置を単純化し小型化することができる。
【００４３】
また、水を加熱する装置の場合は混合ガスの可燃ガスに水素を用いると、水素は燃焼して水になるため、水以外の物質を混入させずに水を加熱することができる。高温で化学反応を起こす化学物質の混合液または混合溶液であれば、この液体の加熱により反応を起こさせることができる。また、高温になると化学反応が促進される化学物質の混合液または混合溶液であれば、この液体の加熱により反応を促進することができる。また、適切な化学物質の液体や溶液であれば、混合ガスが燃焼する際の中間性生物である反応基（ラジカル）とこの液体を反応させることや、液体内の物質同士の反応を促進することができる。すなわち、液体加熱装置の熱効率の向上、加熱を要する化学反応器の熱効率の向上、液液反応や気液反応の反応速度を増加させることができる。
【００４４】
尚、本発明は、上記実施の形態に限られず、各種の変更が可能である。例えば、気体放出管１３及び電極１４，１５は、一組に限られず、複数設けても良い。水槽１２内に多数気体放出管１３及び電極１４，１５を配置すれば、水槽１２内の液体１１の温度を短時間で上昇させることができる。従って、水槽１２内の液体１１を沸騰させることもできる。また、水槽１２を密閉容器として、その上部に蒸気の取り出し口を設ければ、蒸気発生装置として利用することもできる。さらに、大型の水槽の底面に多数の気体放出管１３及び電極１４，１５を設ければ、多量の液体の加熱も可能になる。また、水槽１２に換えて液体が流れるパイプの底部に気体放出管１３及び電極１４，１５を設ければ、液体を流しながら加熱することも可能となる。従って、液体の貯溜手段としては、水槽、タンク、パイプ等を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、液体の加熱装置、反応基の生成装置及び燃料改質装置に利用できるのみならず、蒸気の発生装置等にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施の形態である加熱装置１０の構造を示す部分断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態である加熱装置３０の構造を示す部分断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態である加熱装置５０の構造を示す部分断面図である。
【図４】実施例の実験装置を示す斜視図である。
【図５】着火の際の気泡をスローシャッターでとらえた写真である。
【図６】着火したか否かを判断した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１０ 加熱装置
１１  液体
１２  水槽
１３  気体放出管
１４，１５  電極
１６，１７  導線
１８  ガス供給管
１９  ガス流制御装置
２０  火花点火装置
２１  制御回路
２２  気泡
２３  火花放電
３０  加熱装置
３４，３５  電極
５０  加熱装置
５１  電熱線
５５  電源回路
【図１】
2005147464.tif 000003
【図２】
2005147464.tif 000004
【図３】
2005147464.tif 000005
【図４】
2005147464.tif 000006
【図６】
2005147464.tif 000007
【図５】
2005147464.tif 000008